曲轴飞轮机构的造型与加工Word文件下载.doc

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参考文献 （33

II

第一章绪论

（一）数控技术及编程概述

1、数控技术及数控系统

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

数控加工技术简单的说就是利用数字化控制系统在加工机床上完成整个零件的加工。

这是一种现代化的加工手段。

和传统的机械加工手段相比数控加工技术具有以下优点：

1）加工效率高；

2）加工精度高；

3）劳动强度低；

4）适应能力强；

5）工作环境好；

6）就业容易、待遇高。

计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控（NC）系统的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功能。

CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图1-1所示。

计算机

（软件功能）

硬件电路

（硬件功能）

伺服

系统

数控

机床

指令

输入

图1-1-1CNC系统的组成框图

根据上述组成框图，CNC系统有如下特点：

1）灵活性；

2）通用性；

3）可靠性；

4）数控功能多样化；

5）使用维护方便。

数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。

数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。

数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；

按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；

按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。

2、数控编程

1.程序编制的内容与步骤

程序编制是指从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程。

它可分为手工编程和自动编程两类。

手工编程时，整个程序的编制过程是由人工完成的，其编程内容和步骤如图1-1-2所示。

图1-1-2

2.程序编制的代码标准

数控机床的零件加工程序，可通过拨码盘、键盘、穿孔纸带、磁带及磁盘等介质输入到数控装置中。

常用的标准穿孔纸带有五单位（五列孔，宽17.5mm）和八单位（八列孔，宽25.4mm）两种。

3.NC程序的结构

1）程序的组成。

一个完整的零件加工程序，由若干程序段组成，每个程序段又由若干个代码字组成，每个代码字则由文字（地址符）和数字（有些数字还带有符号）组成。

字母、数字和符号统称为字符。

2）程序段格式。

程序段格式是指一个程序段中字的排列书写方式和顺序，以及每个字和整个程序段的长度限制和规定。

不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符规定，数控系统则不能接受。

3）常见的程序段格式有两类：

a.分隔符固定顺序式。

这种格式是用分隔符“HT”（在EIA代码中用“TAB”）代替地址符，而且预先规定了所有可能出现的代码字的固定排列顺序，根据分隔符出现的顺序，就可判定其功能。

不需要的字或与上一程序段相同功能的字可以不写，但其分隔符必须保留。

b．地址符可变程序段格式。

这种格式又称字—地址程序段格式。

程序段中每个字都以地址符开始，其后跟符号和数字，代码字的排列顺序没有严格的要求，不需要的代码字以及与上段相同的续效字可以不写。

（二）数控机床概述

1.数控设备的产生与发展

1）数控设备的产生

科学技术和社会生产的不断发展，对加工机械产品的生产设备提出了三高（高性能、高精度和高自动化）的要求。

为了解决上述问题，一种新型的数字程序控制机床应运而生，它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产，特别是复杂型面零件提供了自动化加工手段。

2）数控设备的发展

在第一台数控机床问世至今的50年中，先后经历了电子管（1952年）、晶体管和印刷电路板（1960年）、小规模集成电路（1965年）、小型计算机（1970年）、微处理器或微型计算机（1974年）和基于PC-NC的智能数控系统（90年代后）等六代数控系统。

2.数控设备的工作原理、组成与特点

1）数控设备的工作原理

工作

要求

程序

设备

结果

图1-2-1数控设备的工作原理

2）数控设备的组成与功能

数控设备的基本结构框图如图1-2-2所示。

主要由输入输出装置、计算机数控装置、伺服系统和受控设备等四部分组成。

数控装置

伺服系统

受

控

设

备

输出

装置

图1-2-2数控设备基本结构框图

3）数控设备的特点

数控设备是一种高效能自动化加工设备。

与普通设备相比，数控设备具有如下特点：

a.适应性强；

b.精度高，质量稳定；

c.生产率高；

d.能完成复杂型面的加工；

e.减轻劳动强度，改善劳动条件；

f.有利于生产管理。

3.数控设备的分类

数控机床通常从以下不同角度进行分类。

1）按工艺用途分类

a.金属切削类。

它又可分为两类：

普通数控机床和数控加工中心。

b.金属成形类。

指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床，常用的有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。

c.特种加工类。

主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控激光与火焰切割机等。

d.测量、绘图类。

主要有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪等。

图1-2-3数控机床开环控制框图

2）按控制运动的方式分类

a.点位控制数控机床

b.点位直线控制数控机床

c.轮廓控制数控机床

3）按伺服系统的控制方式分类

a.开环数控机床

如图1-2-3所示。

开环控制的数控机床一般适用于中、小型经济型数控机床。

图1-2-4数控机床半闭环控制框图

b.半闭环控制数控机床，如图1-2-4所示。

这类控制可以获得比开环系统更高的精度，调试比较方便，因而得到广泛应用。

图1-5数控机床闭环控制框图

c.闭环控制数控机床，其控制框图如图1-5所示。

闭环控制数控机床一般适用于精度要求高的数控机床，如数控精密镗铣床。

d.按所用数控系统的档次分类

按所用数控系统的档次通常把数控机床分为低、中、高档三类。

以上中、高档数控机床一般称为全功能数控或标准型数控。

（三）数控加工

1.数控加工的定义及特点

1）数控加工的定义

数控加工是指在数控机床上进行自动加工零件的一种工艺方法。

一般来说，数控加工主要包括以下方面的内容：

a.选择并确定零件的数控加工内容；

b.对零件图进行数控加工的工艺分析；

c.设计数控加工的工艺；

d.编写数控加工程序单（数控编程时，需对零件图形进行数学处理；

自动编程时，需进行零件CAD、刀具路径的产生和后置处理）；

e.按程序单制作程序介质；

f.数控程序的校验与修改；

g.首件试加工与现场问题处理；

h.数控加工工艺技术文件的定型与归档。

2）数控加工的特点

数控加工与普通机床加工相比较，数控加工形成了如下特点：

a.数控加工的工艺内容十分具体；

b.数控加工的工艺工作相当严密；

c.数控加工的工序相对集中；

d.适宜于多品种小批量或中批量生产；

除了上面的特点外，数控加工具有前述数控设备的特点。

第二章机构功能及总体结构

图2-1-1曲轴飞轮机构

（一）概述

曲轴飞轮机构（如图2-1-1）主要由曲轴、飞轮、曲轴后端和一些附件组成。

1.曲轴（如图2-1-2）

图2-1-2曲轴

曲轴是发动机最重要的机件之一。

它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。

同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。

工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。

同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。

曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。

为提高耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗糙度的要求。

2.飞轮（如图2-1-3）

图2-1-3飞轮

飞轮的主要功用是用来贮存作功行程的能量，用于克服进气、压缩和排气行程的阻力和其它阻力，使曲轴能均匀地旋转。

飞轮外缘压有的齿圈与起动电机的驱动齿轮啮合，供起动发动机用；

飞轮是高速旋转件，因此，要进行精确地平衡校准，平衡性能要好，达到静平衡和动平衡。

飞轮是一个很重的铸铁圆盘，用螺栓固定在曲轴后端的接盘上，具有很大的转动惯量。

飞轮轮缘上镶有齿圈，齿圈与飞轮紧配合，有一定的过盈量。

3.曲轴后端

图2-1-4曲轴后端

与曲轴轴径形成过盈配合,用于固定飞轮,起到连接飞轮与曲轴的作用.要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力.

（二）机构各零件的选材与工艺分析

曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和一些附件组成。

选材

1.因曲轴需要具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好，故选用球墨铸铁QT600-3。

在工业上使用的金属材料中，以钢和铸铁使用最多。

石墨以球状形态存在的铸铁称为球墨铸铁。

由于球状石墨的应力集中影响更小，故球墨铸铁的性能最好。

球墨铸铁的综合性能接近于钢，力学性能比灰铸铁高得多，抗拉强度甚至可以和钢媲美，塑性和韧性也大大提高，而流动性不如灰铸铁，所以铸造性能比灰铸铁差。

球墨铸铁的组织特征与用途

铸铁名称

典型牌号

石墨形态

组织特征

用途

球墨铸铁

QT600-3

QT800-2

球状

F+G球，P+G球

F+P+G球

轴瓦、传动轴、飞轮

曲轴、连杆、球磨机齿轮

球墨铸铁的热处理特点

类型

种类

高温

退火

低温

去应力退火

正火

调质

等温淬火

表面

强化

∨900℃~950℃

∨720℃~760℃

∨

∨900~950℃

（840~860℃）

但灰铸铁强度和塑性都较低（片状石墨割裂基体,引起应力集中）,脆性大,消振性能好。

主要用来生产一些强度要求不高,主要承受压应力的各种箱体\底座等。

而球墨铸铁对基体的割裂作用降到最低,应力集中作用最小,故其强度很高,可以和中碳钢蓖美,可以充分发挥基体的性能,且有一定的塑性和良好的韧性。

常用来制作一些强韧性要求高且形状复杂（铸造性能比钢好,但比灰铸铁要差）的工件,比如内燃机曲轴\连杆等之类的零件。

球墨铸铁一般还可以经过热处理来进行强化,而灰铸铁一般不能经过热处理来提高强度。

由于QT600-3满足曲轴的工艺要求，故选用。

曲轴后端也选用QT600-3。

2.飞轮材料选用灰铸铁HT200

灰铸铁是一种断面是灰色，碳主要以片状石墨形式出现，是应最为广泛的一种铸铁。

灰铸铁的铸造性能、切削性、耐磨性和吸 

震性都优于其它各类铸铁，而且生产方便、品率高、成本低。

因此，在工农业生产中友铸铁获得广泛应用，在各类铸铁的总产量中点80％以上。

故选用灰铸铁。

1）灰铸铁的牌号、化学成分反显微组织

灰铸铁牌号和力学性能（摘自GB/T9439－1988）

牌号

抗拉强度σb/MPa

抗压强度σbc/MPa

显微组织

≥

基 

体

石 

墨

HT100

HT150

HT200

HT250

HT300

HT350

100

150

200

250

300

350

500

650

750

1000

1100

1200

F+P（少）

F+P

P

细P

S或T

粗 

片

较粗片

中等片

较细片

细小片

3.螺钉为标准件可购买

（三）数控车铣加工工艺及工装

1.数控车削加工的工艺分析

理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。

除必须熟练掌握其性能、特点和使用操作方法外，还必须在编程之前正确地确定加工工艺。

由于生产规模的差异，对于同一零件的车削加工方案是有所不同的，应根据具体条件，选择经济、合理的车削工艺方案。

1）加工工序划分

在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，一次装夹应尽可能完成全部工序。

与普通机床加工相比，加工工序划分有其自己的特点，常用的工序划分原则有以下两种：

（1）保持精度原则；

（2）提高生产效率的原则。

实际生产中，数控加工工序的划分要根据具体零件的结构特、技术要求等情况综合考虑。

2）加工路线的确定。

2.数控车削加工及工装

1）夹具的选择

数控加工时夹具主要有两大要求：

一是夹具应具有足够的精度和刚度；

二是夹具应有可靠的定位基准。

选用夹具时，通常考虑以下几点：

（1）尽量选用可调整夹具，组合夹具及其它适用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。

（2）在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

（3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。

（4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。

2）夹具的类型

数控车床上的夹具主要有两类：

一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；

另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾座顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。

本机构选用标准三爪卡盘，压板。

3）零件的安装

数控车床上零件的安装方法与普通车床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，主要注意以下两点：

（1）力求设计、工艺与偏程计算的基准统一，这样有利于提高编程时数值计算的简便性和精确性。

（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次装夹后，加工出全部待加工面。

4）切削用量的确定

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。

切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。

（1）主轴转速的确定

主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。

其计算公式为：

n=1000v/πd

计算的主轴转速n最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速而定。

（2）进给速度的确定

进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。

最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

确定进给速度的原则是：

a.当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度，一般在100～200mm/min范围内选取。

b.在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取。

c.当加工精度、表面粗糙度要求较高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/min范围内选取。

d.刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。

（3）背吃刀量确定

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。

为了保证加工表面质量，可留少许精加工余量，一般为0.2～0.5mm。

以上切削用量（ap、f、v）选择是否合理，对于实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。

车削用量的选择原则是：

a.粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f,最后确定一个合适的切削进度v。

增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。

b.精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，因此选择较小（但不太小）的背吃刀量ap和进给量f，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。

c.在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围。

对于主轴采用交流变频调速的数控车床，由于主轴在低转速时扭矩降低，尤其应注意此时的切削用量选择。

总之，切削用量的具体数值应根据机床性能，相关的手册并结合实际经验用模拟方法确定。

同时，使主轴转速、背吃刀量及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

4）刀具的选择及对刀点、换刀点的确定

（1）刀具的选择

与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好，精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断屑和排屑性能好；

同时要